數(shù)字控制數(shù)字控制的發(fā)展

時(shí)間：2022-02-19 00:15:01 | 來源：信息時(shí)代

時(shí)間：2022-02-19 00:15:01 來源：信息時(shí)代

近年來,計(jì)算機(jī)在全球范圍內(nèi)的各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。同時(shí),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展,全球的信息產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入一個(gè)空前發(fā)展的新時(shí)期。以互聯(lián)網(wǎng)(internet)為代表的信息高速公路在世界范圍內(nèi)不斷膨脹和延伸。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與傳統(tǒng)控制技術(shù)相結(jié)合,為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步提供了新的條件?，F(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

數(shù)控系統(tǒng)PC化

1981年,IBM公司推出了第一臺(tái)使用Intel公司8086為中央處理器的個(gè)人計(jì)算機(jī),微軟公司推出了MS—DOS,一場(chǎng)PC機(jī)革命的序幕就此拉開。在隨后的十幾年里,80×86系列的CPU發(fā)展到64位,主頻500MHz以上的PⅢ;微軟公司PC機(jī)的操作系統(tǒng)發(fā)展到全面支持64位運(yùn)算、多任務(wù)、圖形用戶接口WindowsNT5.0(Windows2000)。此外,AMD和Cyrics公司的系列CPU和Linux系列的操作系統(tǒng)為PC用戶提供了更多的選擇。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),特別是Internet技術(shù)的誕生和推廣使用,進(jìn)一步推進(jìn)了PC機(jī)在社會(huì)生活中的應(yīng)用。而PC機(jī)的價(jià)格卻從最初的幾千美元降低到幾百美元。全世界數(shù)千萬人在使用PC機(jī),學(xué)習(xí)和使用基于PC的軟件。

數(shù)控系統(tǒng),作為工業(yè)控制器中的一種典型產(chǎn)品,同樣也有采用PC作為主控制器的趨勢(shì)。

發(fā)展基于PC平臺(tái)CNC推動(dòng)力量主要來自PC中豐富的軟硬件資源。由于PC已是世界上產(chǎn)量最大的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品,其技術(shù)發(fā)展和支持可以得到很大的保證,并在PC的快速更新?lián)Q代和價(jià)格持續(xù)下降中獲益匪淺。利用當(dāng)前PC的高速數(shù)據(jù)處理能力,可將原由硬件完成的NC功能由軟件來實(shí)現(xiàn),而且借助于PC技術(shù)可方便地實(shí)現(xiàn)圖形界面、網(wǎng)絡(luò)通信,緊跟計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而升級(jí)換代,并具有良好的開放性,十分有利于二次開發(fā)和功能擴(kuò)展。經(jīng)過加固的工業(yè)級(jí)PC,已經(jīng)在工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域中得到普遍應(yīng)用并已逐步成為主流,其技術(shù)上的成熟程度使其可靠性大大超過以往的專用CNC硬件。

使用PC為基礎(chǔ)的CNC具有以下優(yōu)點(diǎn):

成本低。PC是性能不斷提高,而價(jià)格不斷下降的工業(yè)產(chǎn)品。以PC作為基礎(chǔ)的CNC將直接從中獲益。

標(biāo)準(zhǔn)化。在十幾年的發(fā)展過程中,PC機(jī)的硬件平臺(tái)已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)。PC的硬件平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化和互易性都有利于數(shù)控系統(tǒng)的維修。而且為以PC為基礎(chǔ)的數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和開放奠定硬件基礎(chǔ)。

可靠性高。PC的生產(chǎn)批量大,而且其各個(gè)部件都已經(jīng)形成比較完善的標(biāo)準(zhǔn)。這有利于批量生產(chǎn)和質(zhì)量控制。工業(yè)PC可以使數(shù)控系統(tǒng)在高可靠性和低成本間找到折衷的平衡點(diǎn)。

軟件資源豐富。PC的豐富的軟件資源和開發(fā)工具為數(shù)控軟件的開發(fā)提供了方便,縮短了研制周期,降低了開發(fā)成本,同時(shí)也為CAD/CAM/CNC集成創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

便于聯(lián)網(wǎng)?；赑C平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器可以方便地接入Internet,為實(shí)現(xiàn)全球制造、虛擬制造、共享制造資源奠定了硬件基礎(chǔ)。

盡管以PC為基礎(chǔ)的數(shù)控系統(tǒng)已呈現(xiàn)出越來越多的優(yōu)越性,但PC機(jī)在軟硬件上都存在不能完全適應(yīng)機(jī)床控制的問題,其中最突出的問題就是現(xiàn)有PC機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)上為用戶提供的中斷比較少,而且一些附加設(shè)備還將擠占這些中斷資源,例如:聲卡、網(wǎng)卡和附加硬盤設(shè)備IDE(IntegratedDeviceElectronics,集成電子器件)等。其次,使用現(xiàn)有的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制機(jī)制也有許多問題有待進(jìn)一步研究。

PC化的數(shù)控系統(tǒng)可以分為三類:

NC板插入PC中。這種數(shù)控系統(tǒng)是將數(shù)控的核心功能插卡化,并將其插入PC中。PC將實(shí)現(xiàn)用戶接口、文件管理以及通信等功能,NC插卡將全面負(fù)責(zé)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和開關(guān)量控制。

PC板嵌入CNC中。許多制造商不愿放棄傳統(tǒng)的成熟的CNC技術(shù),而他們又需要PC的柔性和開放,于是就采取了一種折衷的方案:提供PC前端接口或直接將PC母板嵌入CNC中,使其CNC裝置一樣具有PC的柔性。這種方式為很多大公司所采用。應(yīng)該看到,這種CNC是一種折衷方案,是在數(shù)控技術(shù)上已取得一定優(yōu)勢(shì)的公司出于商業(yè)利益的考慮,不愿意放棄其成熟技術(shù)的表現(xiàn)。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,硬件的標(biāo)準(zhǔn)化和成本的降低,這種方式很可能只是過渡形式。

軟件CNC。軟件CNC可以理解為用PC的概念和手段實(shí)現(xiàn)CNC的功能。這種CNC裝置的主體是PC機(jī),充分利用PC機(jī)不斷提高的計(jì)算速度、不斷擴(kuò)大的存儲(chǔ)量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制中的運(yùn)動(dòng)軌跡控制和開關(guān)量的邏輯控制。目前這一方案中還有許多問題有待解決,所以主要還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。但可以預(yù)見,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,這種形態(tài)的機(jī)床控制器將具有不可匹敵的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和可擴(kuò)展性,有廣闊的前途。

數(shù)控系統(tǒng)智能化

智能制造的通俗理解就是應(yīng)用人工智能技術(shù)控制制造過程,包括制造過程的建模、監(jiān)控、決策等。數(shù)控系統(tǒng)是智能制造的重要物質(zhì)基礎(chǔ),數(shù)控系統(tǒng)的智能化是控制器研究者的理想。計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和人工智能技術(shù)的發(fā)展,使機(jī)床控制器具備了應(yīng)用人工智能技術(shù)的條件。

數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

數(shù)控程序編制的智能化。高檔數(shù)控系統(tǒng)大多可以通過會(huì)話自動(dòng)編程系統(tǒng)來自動(dòng)選擇刀具,生成工藝路線,計(jì)算切削深度和切削速度,實(shí)現(xiàn)切削仿真,大大提高了在線編程和對(duì)復(fù)雜型面編程的效率。

加工過程智能化監(jiān)控。數(shù)控系統(tǒng)通過對(duì)影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行測(cè)試數(shù)字控制技術(shù)量、建模,提取特征來感知系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),快速作出實(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo)的決策,對(duì)進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整,使整個(gè)加工過程處于合理狀態(tài)。應(yīng)用比較多的智能化監(jiān)控是刀具的磨損和破損監(jiān)控,機(jī)床適應(yīng)控制也屬于加工過程智能化監(jiān)控的重要應(yīng)用。

故障診斷智能化。高檔數(shù)控系統(tǒng)大多內(nèi)置實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí),該系統(tǒng)可以進(jìn)行診斷并指導(dǎo)故障的排除。傳統(tǒng)的研究方法以專家系統(tǒng)為主,但專家系統(tǒng)用于故障診斷存在知識(shí)獲取困難、組合爆炸和匹配沖突等難以克服的問題。近一段時(shí)間以來,模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)在故障診斷方面的應(yīng)用取得了良好效果。

值得注意的是,單一智能技術(shù)往往不能全面地解決機(jī)床控制中的復(fù)雜問題。在這種情況下,多種人工智能技術(shù)的綜合應(yīng)用可以取得更好的效果。目前,由于大多數(shù)的人工智能算法還不能滿足實(shí)時(shí)控制的要求,如何提高智能算法的速度是影響智能算法應(yīng)用的重要問題。另一方面,大多數(shù)控制器尚不能開放,即未提供集成智能技術(shù)的接口,這也影響了智能技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。隨著數(shù)控系統(tǒng)功能的拓展和人工智能技術(shù)的發(fā)展,各種人工智能方法在機(jī)床控制器中的應(yīng)用將為控制器的發(fā)展帶來更美好的前景。

數(shù)控系統(tǒng)開放化

當(dāng)今機(jī)床正朝著靈活、多功能、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展,控制器也必須跟上這一發(fā)展步伐。這就要求控制器能夠重新配置、修改、擴(kuò)充和改裝,甚至有時(shí)要求控制器能重新生成。完成這一任務(wù)的有效途徑就是'開放'。

數(shù)控系統(tǒng)'開放'化的要求來自生產(chǎn)方式的發(fā)展,來自用戶和機(jī)床廠對(duì)附加技術(shù)的要求,也來自于控制器廠追求高質(zhì)量、低成本和提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的需要?？梢哉f',開放'已成為以數(shù)控機(jī)床為代表的制造裝備不可扭轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。

歐洲、美國(guó)、日本目前都在進(jìn)行自動(dòng)化領(lǐng)域的開放式體系結(jié)構(gòu)的研究,紛紛出臺(tái)各自的開放式體系結(jié)構(gòu)規(guī)范。開放化的趨勢(shì)在全球制造業(yè)中,已成為潮流。美國(guó)政府為了增強(qiáng)其制造業(yè)的持久發(fā)展能力和在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力,在20世紀(jì)90年代初又開展的下一代數(shù)控系統(tǒng)NGC的研究,在1989年—1994年中,由國(guó)防部委托MartinMariettaAstronautics(馬丁-馬瑞塔航天研究所)研究的NGC計(jì)劃,作為具有開放性結(jié)構(gòu)的提案,受到了廣泛的關(guān)注。目前,美國(guó)三大汽車工業(yè)巨頭:GM,Ford,Chysler正在與控制器廠商合作,開發(fā)以PC為基礎(chǔ)的開放式模塊化控制器,命名為OMAC(OpenModularArchitectureControl)。1991年10月,在ESPRITⅢ中開始了一項(xiàng)整個(gè)歐洲的控制系統(tǒng)計(jì)劃OSACA(OpenSystemArchitectureforControlSwithinAutomationSystem),其研究目標(biāo)是研制出自動(dòng)化系統(tǒng)中的開放式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。參加單位來自歐洲各國(guó)11家機(jī)床廠、控制器廠商和高等院校。此項(xiàng)目工期從1992年5月到1996年5月,投入89人·年,總投資1140萬歐洲貨幣單位。日本于1994年12月成立了通產(chǎn)省的外圍組織IROFA(國(guó)際機(jī)器人及工廠自動(dòng)化技術(shù)中心)下屬的NC開放化政策委員會(huì)。NC開放化政策委員會(huì)共有11家企業(yè)參加,主要課題是'開放型NC裝置的定義'及'參考模型(含接口等)的制作'。1994年,在日本還成立了OSE研究會(huì),發(fā)起者為:東芝機(jī)械、豐田工機(jī)、第1章概論·13·山崎、日本IBM、三菱電機(jī)和SML。OSE的研究目的是制定(能將以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為中心的信息處理技術(shù)和以通用處理器驅(qū)使的具有高附加值的機(jī)能裝入控制器內(nèi)的)開放式控制器的體系結(jié)構(gòu)和安裝規(guī)約,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化的活動(dòng)。

開放化的趨勢(shì)在全球制造業(yè)中已成為不可逆轉(zhuǎn)的潮流。這種國(guó)際趨勢(shì)的結(jié)果將是產(chǎn)生高度模塊化、可以方便聯(lián)網(wǎng)集成的、可以方便進(jìn)行二次開發(fā)的、擁有大量第三方應(yīng)用軟件支持的、價(jià)格更便宜的、全新概念的數(shù)控系統(tǒng)。